KR101516654B1 - 초음파 트랜스듀서 - Google Patents

Abstract

고주파 대역에서의 사용에 적합한 구조이며, 내구 성능이 높고, 또한 각 부재간의 접합 강도나 접촉압, 물성 편차에 의한 영향을 음파 특성이 받기 어려운 초음파 트랜스듀서를 실현한다. 초음파 트랜스듀서(1A)는 수지 케이스(3)와 진동자(11)를 포함하고 있다. 수지 케이스(3)는 개구부(3A)를 가지고 있다. 진동자(11)는 정합층(11A)과 압전 소자층(11B)을 포함하고 있다. 압전 소자층(11B)은, 단체(單體)로 두께 진동하도록 구성되어 있고, 두께방향의 주면에 교차하는 측면이 개구부(3A)의 내벽면에 대향하여 접한다. 정합층(11A)은 압전 소자층(11B)의 두께방향으로 적층되어 있고, 압전 소자층(11B)의 두께방향으로 개구부(3A)로부터 노출되며, 두께방향의 주면에 교차하는 측면이 개구부(3A)의 내벽면으로부터 개방되어 있다.

Description

초음파 트랜스듀서{ULTRASONIC TRANSDUCER}

이 발명은 압전 소자층과 정합층을 적층한 구조의 초음파 트랜스듀서에 관한 것이다. 특히는 압전 소자층과 정합층의 적층방향으로 압전 소자층이 두께 진동하는 초음파 트랜스듀서에 관한 것이다.

초음파 트랜스듀서는 음파의 송파 또는 수파를 위해 압전 소자층을 포함하여 구성되는 것이다. 초음파 트랜스듀서에서는, 압전 소자층과 외계(外界)(외기(外氣))의 계면에서의 음파의 반사를 줄이기 위해, 압전 소자층과 외계 사이에 음향 임피던스의 정합을 맞추는 정합층이 마련되는 경우가 있다(예를 들면 특허문헌 1 참조.).

도 8(A)는 제1의 종래예에 따른 초음파 트랜스듀서의 구성예를 설명하는 도면이다. 초음파 트랜스듀서(111)는 압전 소자층(112)과 정합층(113)과 입출력 단자(114)와 흡음재(115)를 포함하고 있다. 압전 소자층(112)은 평판상으로 구성되어 있다. 정합층(113)은 압전 소자층(112)이 끼워 넣어지는 개구를 가지고 있다. 압전 소자층(112)은, 정합층(113)의 개구의 내저면(內底面)에 접합되어 있고, 전체가 정합층(113)의 개구 내에 유지되어 있다. 흡음재(115)는 정합층(113)의 개구 내에 있어서 압전 소자층(112)을 덮도록 충전되어 있다. 입출력 단자(114)는 흡음재(115)를 관통하여 압전 소자층(112)의 전극에 접속되어 있다.

이러한 구성의 초음파 트랜스듀서를 실장 기판에 실장할 때에, 실장 기판에 정합층의 저면(底面)이 접촉함으로써 음파 특성이 불안정화되어 버릴 우려가 있다. 또한 정합층의 전체가 외부에 노출되어 있기 때문에, 내후성(耐候性)이나 내충격성 등의 내구 성능이 나빠, 정합층의 파손 등이 발생하여 음파 특성이 열화하는 경우도 있다. 그리하여, 일반적으로는, 케이스를 마련하고, 그 케이스 내에 정합층이나 압전 소자층을 수용하여 초음파 트랜스듀서는 구성되게 된다.

도 8(B)는 제2의 종래예에 따른 초음파 트랜스듀서의 구성예를 설명하는 도면이다. 초음파 트랜스듀서(121)는 압전 소자층(122)과 정합층(123)과 입출력 단자(124)와 흡음재(125)와 지지재(126)와 케이스(127)를 포함하고 있다. 압전 소자층(122)은 평판상으로 구성되어 있다. 정합층(123)은 압전 소자층(122)이 끼워 넣어지는 개구를 가지고 있다. 압전 소자층(122)은 정합층(123)의 개구의 내저면에 접합되어 있다. 흡음재(125)는 압전 소자층(122)의 배면측에 배치되어 있다. 지지재(126)는, 흡음재(125)의 주위를 둘러싼 통상(筒狀)의 부재이며, 정합층(123)의 저면에 접합되어 있다. 케이스(127)는 지지재(126)의 주위를 둘러싼 통상의 부재이다. 정합층(123)의 일부가 케이스(127)로부터 돌출되도록, 지지재(126)는 케이스(127)에 유지되어 있다. 케이스(127)는 정합층(123)의 측면에 접하여, 정합층(123)의 내구 성능을 높이고 있다.

이러한 구성의 초음파 트랜스듀서는 압전 소자층(122)이 평면방향으로 면적 진동하도록 구성된다. 음파를 송파할 경우, 정합층(123)의 측면이 케이스(127)에 의해 구속되어 있기 때문에, 압전 소자층(122)의 면적 진동은, 압전 소자층(122)과 정합층(123)의 굴곡 진동으로 변환되어, 정합층(123)의 표면으로부터 음파가 송파되게 된다.

일본국 공개특허공보 평4-336799

압전 소자층의 면적 진동을 압전 소자층과 정합층의 굴곡 진동으로 변환시키는 종래 구성의 초음파 트랜스듀서에서는, 각부의 접합 강도나 접촉압, 물성 편차나 위치 편차에 의해 음파 특성(음압 또는 감도)의 편차가 생긴다.

또한 초음파 트랜스듀서는 인쇄기 등으로 시트의 중송(重送)을 검출하는 중송 검지용 센서로서도 사용되는 경우가 있다. 중송 검지용 센서에서는 매우 얇은 시트에서의 음파의 흡수나 반사를 이용하기 때문에, 다른 용도의 센서보다도 고주파수 대역의 음파를 이용할 필요가 있다. 고주파수 대역의 음파를 이용하기 위해서는, 초음파 트랜스듀서를 소형화할 필요가 있는데, 종래예에 따른 초음파 트랜스듀서 그대로 소형화하면, 진동면 중심의 진동 면적이 현저하게 작아지기 때문에, 음파 특성이 저하하는 것을 피할 수 없다. 또한 공진 주파수의 근방의 주파수에서 불필요 진동이 생겨 버려, 재료 편차 등에 의해 공진 주파수가 어긋난 경우에 불필요 진동의 영향으로 음파 특성이 열화해 버린다.

그리하여, 본 발명의 목적은, 고주파 대역에서의 사용에 적합한 구조이며, 내구 성능이 높고, 또한 각 부재간의 접합 강도나 접촉압, 재료 편차 등에 의한 영향을 음파 특성이 받기 어려운 초음파 트랜스듀서를 실현하는 것에 있다.

본 발명의 초음파 트랜스듀서는 케이스부와 진동자를 포함하고 있다. 케이스부는 개구부를 가지고 있다. 진동자는 정합층과 압전 소자층을 포함하고 있다. 압전 소자층은, 두께 진동하도록 구성되어 있고, 두께방향의 주면에 교차하는 측면이 개구부의 내벽면에 대향하여 접한다. 정합층은, 압전 소자층의 두께방향으로 적층되어 있고 압전 소자층의 두께방향에 있어서 일부가 개구부로부터 노출되고, 두께방향의 주면에 교차하는 측면이 개구부의 내벽면으로부터 개방되어 있다.

이 구성에서는, 압전 소자층이 두께 진동하기 때문에, 정합층의 표면 전면이 두께방향으로 거의 똑같이 변위(진동)한다. 따라서, 정합층의 표면에 진동의 마디가 발생하지 않고 진동 면적을 크게 할 수 있다. 이것에 의해, 초음파 트랜스듀서의 전체 치수를 소형화해도, 두께 진동에 의한 음파의 음압이나 감도의 저하가 생기기 어려워진다. 또한 압전 소자층이 케이스부의 내벽면에 대향하여 배치되기 때문에 높은 내구 성능을 실현할 수 있다. 또한 진동자가 압전 소자층에서 케이스부의 내벽면에 지지되는데, 압전 소자층의 측면방향이 구속되는 것에 의한 음파 특성에의 영향은 정합층이 구속되는 구성에 비해 작아, 안정된 음파 특성을 실현할 수 있다.

상술한 초음파 트랜스듀서에 있어서, 정합층은 측면이 개구부의 내벽면에 대향하면 바람직하다. 이것에 의해, 압전 소자층의 전체와 정합층의 측면의 일부가 케이스부의 개구부 내에 배치되어, 보다 높은 내구 성능을 실현할 수 있다.

상술의 초음파 트랜스듀서에 있어서, 압전 소자층은, 개구부의 내벽면과의 접촉 위치가 진동의 노드(node)점이 되는 위치이면 바람직하다. 이것에 의해, 압전 소자층의 두께 진동이 케이스부에 의해 저해되는 것을 확실하게 방지하여, 보다 안정된 음파 특성을 실현할 수 있다.

상술의 초음파 트랜스듀서에 있어서, 정합층은, 측면이 두께방향에 대하여 테이퍼를 가지고, 정합층과 압전 소자층의 계면 부분의 가장자리가 개구부의 내벽면에 점 접촉하면 바람직하다. 이것에 의해, 정합층을 금형 성형할 경우에 정합층의 틀 빠짐이 용이해진다. 또한 정합층의 수평방향의 위치 결정을 보다 고정밀도로 할 수 있다.

상술의 초음파 트랜스듀서에 있어서, 정합층의 측면과 압전 소자층의 측면이 높이가 같으면 바람직하다. 이것에 의해, 복수의 진동자를 일체의 상태로 제조하여, 다이싱 등에 의해 분할함으로써, 복수의 진동자를 한번에 제조하는 것이 가능해져, 제조 공정수의 삭감이 가능해진다.

이 발명에 의하면, 압전 소자층이 두께 진동하기 때문에, 정합층의 표면에 진동의 마디가 발생하지 않고, 진동 면적을 크게 할 수 있으며, 초음파 트랜스듀서의 전체 치수를 소형화해도, 두께 진동에 의한 음파의 음압이나 감도의 저하가 생기기 어려워진다. 또한 압전 소자층이 케이스부의 내벽면에 대향하여 배치되기 때문에 높은 내구 성능을 실현할 수 있다. 또한 진동자가 압전 소자층에서 케이스부의 내벽면에 지지되는데, 압전 소자층의 측면방향이 구속되는 것에 의한 음파 특성에의 영향은, 정합층이 구속되는 구성에 비해 작아 안정된 음파 특성을 실현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1의 실시형태에 따른 초음파 트랜스듀서, 진동자, 및 중송 검지용 센서의 구성예를 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1의 실시형태에 따른 초음파 트랜스듀서의 구성예를 설명하는 도면이다.
도 3은 진동자와 수지 케이스의 접촉 위치에 의한 음향 특성의 영향을 설명하는 도면이다.
도 4는 진동자와 수지 케이스의 접촉 위치에 의한 음향 특성의 영향을 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 제2의 실시형태에 따른 초음파 트랜스듀서의 구성예를 설명하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 제3의 실시형태에 따른 초음파 트랜스듀서의 구성예를 설명하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 제4의 실시형태에 따른 초음파 트랜스듀서의 구성예를 설명하는 도면이다.
도 8은 종래예에 따른 초음파 트랜스듀서의 구성예를 나타내는 단면도이다.

≪제1의 실시형태≫

이하, 본 발명의 제1의 실시형태에 따른 초음파 트랜스듀서, 진동자, 및 중송 검지용 센서의 구성에 대하여, 도 1에 근거하여 설명한다.

도 1(A)는 본 발명의 제1의 실시형태에 따른 초음파 트랜스듀서(1A,1B)를 사용한 중송 검지용 센서(101)의 개념도이다.

중송 검지용 센서(101)는 송파용의 초음파 트랜스듀서(1A)와, 수파용의 초음파 트랜스듀서(1B)를 포함하고 있다. 또한 초음파 트랜스듀서(1A)에 접속되는 발진기(102), 초음파 트랜스듀서(1B)에 접속되는 오실로스코프(104), 및 초음파 트랜스듀서(1B)와 오실로스코프(104) 사이에 접속되는 증폭기(103)를 포함하고 있다. 초음파 트랜스듀서(1A)와 초음파 트랜스듀서(1B)는 인쇄기 등에 있어서의 용지 반송로(109)의 양쪽에 서로 대향하여 배치된다. 발진기(102)는 초음파 트랜스듀서(1A)를 구동하기 위한 주파수 펄스 신호를 발진한다. 초음파 트랜스듀서(1A)는 그 주파수 펄스 신호를 받아, 용지 반송로(109)에 100kHz이상의 초음파 펄스를 송파한다. 100kHz이상의 초음파 펄스는 다양한 두께나 종류의 용지에 대한 중송 상태의 검출에 적합하다. 용지 반송로(109)에 있어서, 초음파 펄스는 반송되고 있는 용지를 투과하여 초음파 트랜스듀서(1B)에 도달한다. 이때, 용지가 중송 상태이면 음파의 감쇠가 현저하게 커진다. 초음파 트랜스듀서(1B)는 초음파 펄스를 수파하여 검출 신호를 출력한다. 증폭기(103)는 초음파 트랜스듀서(1B)로부터 입력되는 검출 신호를 증폭한다. 오실로스코프(104)는, 증폭기(103)로 증폭된 검출 신호로부터, 음파의 감쇠가 현저하게 크면, 용지 반송로(109)에서 용지가 중송되고 있다고 판정하고, 그렇지 않으면 용지 반송로(109)에서 용지가 단송(單送)되고 있다고 판정한다.

도 1(B)는 본 실시형태에 따른 초음파 트랜스듀서(1A)의 측면도이다. 도 1(B)에 있어서의 지면(紙面) 내의 윗방향이 초음파를 송파하는 방향이며, 초음파 트랜스듀서(1A)의 정면방향이다.

또한 초음파 트랜스듀서(1B)는 초음파 트랜스듀서(1A)와 거의 같은 구성이며, 여기서는 상세한 설명을 생략한다. 초음파 트랜스듀서(1B)는 초음파 트랜스듀서(1A)와, 진동자(11)에 있어서의 압전체층과 전극층의 적층수, 및 전체 치수가 상이한 것이다.

초음파 트랜스듀서(1A)는 금속 커버(2)와, 수지 케이스(3)와, 진동자(11)와, 금속 단자(5,6)를 포함하고 있다. 금속 커버(2)는 도전성을 가지는 금속 재료로 이루어지고, 정면 및 배면이 개구하는 통상이다. 금속 커버(2)는 수지 케이스(3)를 유지하고, 전자 실드로서 기능한다. 수지 케이스(3)는 플라스틱 수지의 사출 성형에 의해 형성되어 있고, 정면측이 개구하는 유저통상이다. 수지 케이스(3)는 개구로부터 정면측에 진동자(11)의 단부가 돌출되도록 진동자(11)를 유지하고 있다. 수지 케이스(3)가 본 실시형태에 있어서의 케이스부에 상당한다. 금속 단자(5,6)는 배면측의 단부가 수지 케이스(3)의 배면으로부터 돌출되어 있고, 진동자(11)에 구동 전압을 인가한다.

도 1(C)는 본 실시형태에 따른 진동자(11)의 사시도(斜視圖)이다. 또한 도 1(C)에 있어서의 지면 내의 윗방향이 초음파를 송수하는 방향이며, 진동자(11)의 정면방향이다. 진동자(11)는 정합층(11A)과 압전 소자층(11B)을 포함하고 있다. 정합층(11A)은 정면 및 배면이 정사각형의 기둥상이다. 압전 소자층(11B)도 마찬가지로 정면 및 배면이 정사각형의 기둥상이다. 압전 소자층(11B)의 정면 및 배면에 있어서의 종횡 치수는, 정합층(11A)의 정면 및 배면에 있어서의 종횡 치수보다도 약간 크게 되어 있다. 또한 진동자(11)의 정면 및 배면의 형상은, 정사각형 또는 원형이면 진동 효율을 높일 수 있는 동시에 불필요 진동의 발생을 방지할 수 있어 바람직하다. 단, 음파의 지향성을 제어하기 위해 직사각형이나 장원형(長圓形)이어도 된다.

정합층(11A)은, 팟팅과 열경화에 의한 접합이 가능한 에폭시 수지에 유리 벌룬을 혼합시킨 저비중 재료로 이루어지고, 진동자(11)의 정면측에 위치하고 있으며, 압전 소자층(11B)과 외계(외기)의 음향 임피던스의 정합을 맞추기 위해 마련되어 있다.

압전 소자층(11B)은, 진동자(11)의 배면측에 위치하고 있고, 정면-배면간의 방향을 적층방향으로 하여 복수의 전극층(11B1)과 복수의 압전체층(11B2)을 적층하여 구성되어 있다. 압전체층(11B2)은 전기 기계 결합 계수와 압전 d 상수가 크고, 기계적 품질 계수가 작은 티탄산지르콘산납계 세라믹스로 이루어진다. 진동자(11)는, 적층방향에 평행한 2측면(도 1(B)에 있어서의 지면 내의 좌우방향에 위치하는 우측면 및 좌측면)이, 전극 접속부가 되도록 구성되어 있고, 도시하지 않는 측면전극과 절연막에 의해 짝수번째 또는 홀수번째의 전극층(11B1)끼리가 선택적으로 접속되는 동시에, 금속 단자(5) 또는 금속 단자(6)에 접속되게 된다.

이하, 초음파 트랜스듀서(1A)의 상세 구성에 대하여 설명한다. 도 2는 초음파 트랜스듀서(1A)의 단면도이다. 도 2(A)는 도 2(B)에 나타내는 한 점 쇄선(B-B')을 통과하는 위치에서의 단면도이다. 도 2(B)는 도 2(A) 중에 나타내는 한 점 쇄선(A-A')을 통과하는 위치에서의 단면도이다.

금속 커버(2)는 통상 부위(2A)와 설상(舌狀) 부위(2B)를 포함하고 있다. 통상 부위(2A)는 바닥이 없는 통상의 부위이며, 정면 및 배면의 외형상 및 내형상이 정사각형이다. 설상 부위(2B)는, 통상 부위(2A)의 배면측으로부터 배면방향으로 연장되는 가늘고 긴 설상의 부위이며, 접지 단자로서 사용되는 것이다.

수지 케이스(3)는 유저통상이며, 금속 커버(2)의 내 치수와 거의 동일한 외 치수로 형성되어 있고, 배면 근방의 외측면에 외 치수를 부분적으로 크게 하여 형성된 단부(3D)가 마련되어 있다. 단부(3D)는 금속 커버(2)의 통상 부위(2A)가 접촉함으로써 수지 케이스(3)를 거는 것이다. 또한 단부(段部)(3D)에는 일부에 설상 부위(2B)가 통과하는 홈이 형성되어 있다.

또한 수지 케이스(3)는 정면에 직사각형의 개구부(3A)가 마련되어 있다. 개구부(3A)는 진동자(11)가 안으로 삽입되는 것이다. 또한 수지 케이스(3)는 배면에 직사각형의 구멍(3B)이 마련되어 있다. 구멍(3B)은, 개구부(3A)의 내저면에 연통하고 있고, 금속 단자(5,6)의 배면측 단부(端部)가 안으로 삽입되는 것이다. 또한 개구부(3A)의 내부에는, 구멍(3B)으로부터 내저면 및 내벽면을 따라 연장되는 홈(3C)이 형성되어 있다. 홈(3C)은 금속 단자(5,6)를 거는 것이다. 개구부(3A)는, 정면으로부터 내저면까지의 거리(개구부(3A)의 깊이)가 진동자(11)의 두께 치수보다도 얕게 설정되어 있다. 이것에 의해, 개구부(3A)로부터 진동자(11)의 단부가 돌출되는 즉 개구부(3A)로부터 정합층(11A)이 부분적으로 돌출되게 된다.

금속 단자(5,6)는, 도전성을 가지는 금속 재료로 이루어지는 거의 봉상(棒狀)의 부재이며, 중앙 부근에서 2도 굴곡시켜 단(段) 부분을 마련하고 있다. 금속 단자(5,6)의 단 부분보다도 정면측의 단부(端部) 및 단(段) 부분은, 수지 케이스(3)의 홈(3C)에 끼워 맞춰져, 개구부(3A)의 내부에 마련되어 있다. 금속 단자(5,6)의 단 부분보다도 배면측의 단부는 구멍(3B)으로부터 배면측으로 돌출되어 마련되어 있다. 금속 단자(5,6)의 정면측의 단부는, 수지 케이스(3)의 개구부(3A) 내에서 진동자(11)의 측면과 수지 케이스(3)의 내벽면에 끼워지고, 그 위치에는 진동자(11)측으로 돌출되도록 굴곡하는 く자상의 부위가 형성되어 있다. 이 부위가 탄성 변형함으로써, 금속 단자(5,6)는 항상 진동자(11)에 접촉하도록 구성되어 있다. 또한 금속 단자(5,6)는 도전성 접착제 등을 사용하여, く자상의 부위 등을 진동자(11)의 측면에 접착해도 된다. 또한 진동자(11)는 절연성 접착제 등을 사용하여, 수지 케이스(3)의 내저면에 접착되어 있어도 된다.

진동자(11)는, 압전 소자층(11B)측으로부터 개구부(3A)에 안으로 삽입되어 있고, 정합층(11A)측이 개구부(3A)로부터 정면으로 돌출되어 있다. 개구부(3A)는, 홈(3C)의 형성 영역을 제외하고 내벽면이 압전 소자층(11B)의 외벽면에 탄력 접촉하도록, 그 치수가 설정되어 있다. 한편, 상술한 바와 같이, 정합층(11A)의 종횡 치수는 압전 소자층(11B)의 종횡 치수보다도 작으므로, 개구부(3A)의 내벽면으로부터 측면이 이간되어(개방되어) 있다. 이 때문에, 진동자(11)는 압전 소자층(11B)의 외측면에서 수지 케이스(3)에 지지되게 된다.

정합층과 압전 소자층을 포함하는 진동자에 있어서, 정합층의 열팽창 계수와 압전 소자층을 구성하는 압전체층의 열팽창 계수가 크게 다르면, 정합층과 압전 소자층의 사이에서 박리가 생길 경우가 있다. 특히, 정합층의 종횡 치수가 압전 소자층의 종횡 치수가 같을 경우에는, 정합층과 압전 소자층 사이의 부분에 열 응력(인장 응력)이 집중되어, 정합층과 압전 소자층 사이에서의 박리가 생기기 쉬워지거나, 압전 소자층에 크랙이 생기기 쉬워진다. 초음파 트랜스듀서에서는, 정합층과 압전 소자층 사이에서의 박리가 생기면, 공진 주파수가 낮아져, 감도가 낮아져 버린다. 정합층과 압전 소자층 사이에서의 박리를 방지하기 위해, 정합층과 압전 소자층을 탄성 접착제에 의해 접합하는 것을 생각할 수 있는데, 압전 소자층의 진동이 정합층에 전파되기 어려워져, 감도가 낮아져 버린다.

그리하여, 본 실시형태와 같이, 정합층(11A)의 종횡 치수가 압전 소자층(11B)의 종횡 치수보다도 작으면, 압전 소자층(11B)에 가해지는 열 응력(인장 응력)이 분산됨으로써 정합층(11A)과 압전 소자층(11B) 사이의 부분에 가해지는 열 응력이 작아져, 정합층(11A)과 압전 소자층(11B) 사이에서의 박리가 생기기 어렵다. 이 때문에, 초음파 트랜스듀서(1A)에서는 공진 주파수의 저하 및 감도의 저하가 일어나기 어렵다.

이상의 각 부재, 금속 커버(2), 수지 케이스(3), 진동자(11), 및 금속 단자(5,6)에 의해 초음파 트랜스듀서(1A)는 구성되어 있다. 진동자(11)는 정면-배면간의 방향을 따라 두께 진동하도록 구성된다. 그 때문에, 진동자(11)의 정면 전면이 진동 영역이 되고, 소형화해도 공진 주파수의 변화나 음압이나 감도의 저하가 생기기 어렵다. 따라서 중송 검지용 센서(101)로서 양호한 음파 특성을 실현할 수 있다. 또한 진동자(11)는, 정합층(11A)의 일부와 압전 소자층(11B)이 수지 케이스(3)의 개구부(3A)의 내부에 배치되므로, 외부로부터의 충격 등의 영향을 받기 어려워, 높은 내구 성능을 실현할 수 있다.

게다가, 진동자(11)는, 수지 케이스(3)의 개구부(3A)의 내벽면에 압전 소자층(11B)의 외측면으로 지지되고, 정합층(11A)의 외측면은 개구부(3A)의 내벽면으로부터 개방되므로, 정합층(11A)의 외측면에 개구부(3A)의 내벽면이 접촉하는 경우보다도 음파 특성의 열화나 불안정화를 방지할 수 있다.

도 3 및 도 4는, 진동자와 수지 케이스의 접촉 위치에 의한 음향 특성의 영향에 대하여, 주파수-임피던스 특성에 근거하여 설명하는 도면이며, 도 3은 비교예에 따른 초음파 트랜스듀서에 대하여 나타내고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서에 대하여 나타내고 있다. 또한 여기서는 비교예에 따른 초음파 트랜스듀서는, 정합층과 압전 소자층이 높이가 같은 외측면을 가지는 진동자와, 진동자의 외측면과 균일한 간격으로 개구부의 내벽면이 대향하는 수지 케이스를 사용하여, 정합층과 수지 케이스를 접착제로 접합시킨 구성이다. 또한 본 발명의 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서는, 초음파 트랜스듀서(1A)와 같은 구성의 진동자와 수지 케이스를 사용하여, 압전 소자층과 수지 케이스를 접착제로 접합시킨 구성이다.

도 3에 나타내는 바와 같이, 정합층이 수지 케이스에 고정되는 비교예(접촉시)에서는, 약 171kHz, 약 268kHz, 약 302kHz, 약 375kHz가 공진 주파수가 되어 있고, 약 176kHz, 약 295kHz, 약 326kHz, 약 396kHz가 반공진 주파수가 된다. 각 공진 주파수에서의 저항값(공진 저항)과 각 반공진 주파수에서의 저항값의 차는, 정합층과 수지 케이스가 비접촉인 구성(비접촉시)과 비교하면, 비접촉시 쪽이 크고, 접촉시 쪽이 작다.

한편, 도 4에 나타내는 바와 같이, 압전 소자층이 수지 케이스에 고정되는 실시예(접촉시)에서는 약 168kHz, 약 267kHz, 약 303kHz, 약 374kHz가 공진 주파수가 되어 있고, 약 173kHz, 약 293kHz, 약 322kHz, 약 398kHz가 반공진 주파수가 된다. 각 공진 주파수에서의 저항값(공진 저항)과 각 반공진 주파수에서의 저항값의 차는, 압전 소자층과 수지 케이스가 비접촉인 구성(비접촉시)과 비교하면, 약 267kHz이상의 극치(極値)의 근방에서, 접촉시 쪽이 저항값의 차가 작지만, 약 168kHz와 약 173kHz의 근방에서는 저항값의 차가 거의 차이가 없다.

또한 이 초음파 트랜스듀서의 구성에서는, 도 3의 경우에는 약 171kHz의 공진 주파수, 도 4의 경우에는 약 168kHz의 공진 주파수로 구동할 때에 두께 진동 및 음파가 최대화하게 된다.

이 점들 때문에, 정합층이 수지 케이스에 고정되는 비교예에서는, 진동자의 본래적인 음파 특성을 실현하는 것이 어려워, 어느 정도의 열화가 생기게 되는데, 압전 소자층이 수지 케이스에 고정되는 실시예에서는, 진동자의 본래적인 음파 특성을 그대로 열화하지 않고 실현하는 것이 가능하다고 할 수 있다.

또한 본 실시형태에 있어서는, 진동자의 외측면을 비(非)평탄하게 하고, 개구부의 내벽면을 평탄하게 한 구성을 사용하여 본 발명의 초음파 트랜스듀서를 설명했는데, 본 발명의 초음파 트랜스듀서는 그 밖의 구성이어도 실현할 수 있다.

≪제2의 실시형태≫

도 5는 본 발명의 제2의 실시형태에 따른 초음파 트랜스듀서(21)의 단면도이다. 도 5(A)는 도 5(B)에 나타내는 한 점 쇄선(B-B')을 통과하는 위치에서의 단면도이다. 도 5(B)는 도 5(A) 중에 나타내는 한 점 쇄선(A-A')을 통과하는 위치에서의 단면도이다.

본 실시형태의 초음파 트랜스듀서(21)는, 제1의 실시형태와 상이한 구성의 진동자(31)를 포함하고 있다. 진동자(31)는 정합층(31A)과 압전 소자층(31B)을 포함하고 있다. 정합층(31A)은 정면 및 배면이 정사각형이며, 정면에 있어서의 종횡 치수보다도 배면에 있어서의 종횡 치수 쪽이 크고, 측면에 테이퍼가 붙은 기둥상이다. 정합층(31A)의 배면에 있어서의 종횡 치수는, 압전 소자층(31B)의 정면에 있어서의 종횡 치수와 동일하게 하고 있다.

이 구성에서는, 정합층(31A)과 압전 소자층(31B)의 계면 부분의 가장자리가 개구부(3A)의 내벽면에 점 접촉하므로, 정합층(31A)의 수평방향의 위치가 보다 높은 정밀도로 고정되어, 음파 특성을 보다 높일 수 있다. 또한 정합층(31A)의 부재를 금형 성형할 경우에 정합층(31A)의 틀 빠짐이 용이해진다. 그 때문에, 초음파 트랜스듀서(21)의 제조가 보다 용이한 것이 된다.

≪제3의 실시형태≫

도 6은 본 발명의 제3의 실시형태에 따른 초음파 트랜스듀서(41)의 단면도이다. 도 6(A)는 도 6(B)에 나타내는 한 점 쇄선(B-B')을 통과하는 위치에서의 단면도이다. 도 6(B)는 도 6(A) 중에 나타내는 한 점 쇄선(A-A')을 통과하는 위치에서의 단면도이다.

본 실시형태의 초음파 트랜스듀서(41)는, 제1의 실시형태와 상이한 구성의 진동자(51)와 수지 케이스(43)를 포함하고 있다. 진동자(51)는 정합층(51A)과 압전 소자층(51B)을 포함하고 있다. 정합층(51A)은 정면 및 배면이 정사각형이며, 종횡 치수가 압전 소자층(51B)의 종횡 치수와 동일하고, 정합층(51A)의 외측면과 압전 소자층(51B)의 외측면이 높이가 같게 구성된 것이다. 수지 케이스(43)는 개구부(43A)와 구멍(43B)과 홈(43C)과 단부(段部)(43D)가 형성되어 있다. 개구부(43A)는 정면측의 내경 치수가 배면측의 내경 치수보다도 커지도록, 단(段) 부가 형상으로 구성되어 있다.

이 구성에서는, 진동자(51)에 있어서 정합층(51A)과 압전 소자층(51B)의 외 치수가 동일해도, 단 부가 형상의 개구부(43A)에 의해, 정합층(51A)의 측면에 개구부(43A)의 내벽면이 접촉하는 것을 방지하고 있다. 이와 같이 본 발명의 초음파 트랜스듀서는 진동자의 외측면이 평탄해도, 개구부의 내벽면을 비평탄으로 하여 구성되어 있어도 된다.

이 진동자(51)는, 전체적으로 직방체상이기 때문에, 제조시에, 복수의 진동자(51)를 일체로 구성하고 나서 다이싱 등에 의해 분할하여, 복수의 진동자(51)를 한번에 제조하는 것이 가능해진다. 따라서, 진동자(51)의 제조 비용을 저감하는 것이 가능해진다.

≪제4의 실시형태≫

도 7은 본 발명의 제4의 실시형태에 따른 초음파 트랜스듀서(61)의 단면도이다. 도 7(A)는 도 7(B)에 나타내는 한 점 쇄선(B-B')을 통과하는 위치에서의 단면도이다. 도 7(B)는 도 7(A) 중에 나타내는 한 점 쇄선(A-A')을 통과하는 위치에서의 단면도이다.

본 실시형태의 초음파 트랜스듀서(61)는, 제1의 실시형태와 상이한 구성의 진동자(71)와 수지 케이스(63)를 포함하고 있다. 진동자(71)는 정합층(71A)과 압전 소자층(71B)을 포함하고 있다. 정합층(71A)은 정면 및 배면이 정사각형이며, 종횡 치수가 압전 소자층(71B)의 종횡 치수와 동일한 것이다. 수지 케이스(63)는 개구부(63A)와 구멍(63B)과 홈(63C)과 단부(段部)(63D)가 형성되어 있고, 개구부(63A)는 내벽면으로부터 돌출되는 돌기부(63E)가 형성되어 있다. 돌기부(63E)는, 개구부(63A)의 내저면으로부터 소정 거리의 위치에서, 개구부(63A)를 거의 주회(周回)하도록 형성되어 있다. 그리고, 돌기부(63E)와 개구부(63A)의 내저면만이 진동자(71)에 접촉하도록 구성되어 있다. 돌기부(63E)는, 압전 소자층(71B)의 두께 진동의 노드점이 되는 위치에서 진동자(71)에 접촉하도록 그 형성 위치가 설정되어 있다.

이 구성에서는, 진동자(71)에 있어서 정합층(71A)과 압전 소자층(71B)의 외형 치수가 동일해도, 개구부(63A)에 마련한 돌기부(63E)를, 진동자(71)의 압전 소자층(71B)에 접촉시킴으로써, 정합층(71A)의 측면에 개구부(63A)의 내벽면이 접촉하는 것을 방지하고 있다. 돌기부(63E)는, 압전 소자층(71B)의 두께 진동의 노드점이 되는 위치에 접촉하므로, 압전 소자층(71B)의 두께 진동이 저해되는 것을 확실하게 방지하여, 보다 안정된 음파 특성을 실현하는 것이 가능해진다. 이와 같이 본 발명의 초음파 트랜스듀서는 구성되어 있어도 된다.

이 진동자(71)는, 전체적으로 직방체상이기 때문에, 제조시에, 복수의 진동자(71)를 일체로 구성하고 나서 다이싱 등에 의해 분할하여, 복수의 진동자(71)를 한번에 제조하는 것이 가능해진다. 따라서, 진동자(71)의 제조 비용을 저감하는 것이 가능해진다. 또한 돌기부에 대해서는 수지 케이스와 일체로 구성하는 것 외에, 진동자와 일체로 구성해도 되고, 또한 수지 케이스 및 진동자와는 별체로 구성해도 된다.

이상의 실시형태에서 설명한 바와 같이 본 발명은 실시할 수 있는데, 본 발명의 초음파 트랜스듀서는 중송 검지용 센서의 다른 디바이스에 사용할 수도 있다. 또한 진동자나 초음파 트랜스듀서의 구체적인 구성이나 재료는, 상술한 것에 한정되지 않고, 적어도 정합층의 측면이 개방된 상태에서, 압전 소자층이 케이스부에 지지된다면, 다른 구성이나 재료가 채용되어 있어도 된다.

1A, 1B, 21, 41, 61: 초음파 트랜스듀서
2: 금속 커버
2A: 통상 부위
2B: 설상 부위
3, 43, 63: 수지 케이스
3A, 43A, 63A: 개구부
3B, 43B, 63B: 구멍
3C, 43C, 63C: 홈
3D, 43D: 단부(段部)
5, 6: 금속 단자
11, 31, 51, 71: 진동자
11A, 31A, 51A, 71A: 정합층
11B, 31B, 51B, 71B: 압전 소자층
11B1: 전극층
11B2: 압전체층
63E: 돌기부
101: 중송 검지용 센서
102: 발진기
103: 증폭기
104: 오실로스코프

Claims (5)

1. 개구부를 가지고 있는 케이스부와,
   상기 개구부에 삽입되어 있는 진동자를 포함하는 초음파 트랜스듀서로서,
   상기 진동자는,
   두께 진동하도록 구성되어 있고, 두께방향의 주면에 교차하는 측면이 상기 개구부의 내벽면에 대향하여 접하는 압전 소자층과,
   상기 압전 소자층의 두께방향으로 적층되어 있고, 상기 압전 소자층의 상기 두께방향에 있어서 일부가 상기 개구부로부터 노출되며, 상기 두께방향의 주면에 교차하는 측면이, 상기 개구부의 내벽면으로부터 개방되어 있는 정합층을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서.
2. 제1항에 있어서,
   상기 정합층은 측면이 상기 개구부의 내벽면에 대향하는 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 압전 소자층은, 상기 개구부의 내벽면과의 접촉 위치가 진동의 노드(node)점이 되는 위치인 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 정합층은, 측면이 상기 두께방향에 대하여 테이퍼를 가지고,
   상기 정합층과 상기 압전 소자층의 계면 부분의 가장자리는, 상기 개구부의 내벽면에 점 접촉하는 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 정합층의 측면과 상기 압전 소자층의 측면은 높이가 같은 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서.

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